燃氣輪機在船舶動力方面的應用

1、燃氣輪機在船用動力方面的應用與發(fā)展燃氣輪機在船用動力方面的應用與發(fā)展邵高鵬（清華大學汽車系，北京100084）摘要：要：介紹船用燃氣輪機的工作原理和特點，對比燃氣輪機和內(nèi)燃機性能的優(yōu)缺點，總結(jié)燃氣輪機應用于船用動力的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：船用燃氣輪機；原理；應用；發(fā)展方向；1引引言燃氣輪機動力裝置在50年代開始用于船舶，在此之前，水面艦艇都已蒸汽輪機和內(nèi)燃機作為其動力裝置，大型艦船以蒸汽輪機為其主要的動力裝置，蒸汽輪機的

2、優(yōu)勢在于技術(shù)相對簡單，制造相對容易，但是其同樣存在油耗大，占用空間大等等劣勢，而柴油機的單機功率有限，必須采用多機并用。并且由于燃氣輪機汽固有的一些優(yōu)點，使得它逐漸向柴油機動力在船舶動力上的統(tǒng)治地位發(fā)起了挑戰(zhàn)。最初的燃氣輪機還只能應用與軍用艦艇，但是隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，燃氣輪機在商船上也逐步得到了推廣。2船用燃氣輪機的工作原理船用燃氣輪機的工作原理船用內(nèi)燃機的循環(huán)模式可以分為簡單開式循環(huán)，其工作過程同內(nèi)燃機類似，也可以分為吸氣、壓縮

3、、做功及排氣四個工作行程，但是與內(nèi)燃機又有很大的不同，下圖中是一種燃氣輪機的結(jié)構(gòu)示意圖。軸流壓氣機的轉(zhuǎn)子高速回轉(zhuǎn)，在壓氣機的進口處產(chǎn)生吸力，將新鮮空氣吸入壓氣機，對應著吸氣的過程?？諝庠谳S流壓氣機中增壓，壓力和溫度都有升高，空氣繼續(xù)流動經(jīng)過擴壓器，減速增壓進入燃燒室中，此時的空氣溫度和壓力都較高，比容很小，這就實現(xiàn)了空氣的壓縮過程。在空氣進入燃燒室的同時，燃油同時噴入與空氣混合形成可燃混合氣，點燃后迅速燃燒，溫度繼續(xù)升高，而壓力變化不大

4、（由于流動損失的存在）；高溫高壓的燃氣，經(jīng)過渦輪的靜葉的導向之后沖擊渦輪的動葉葉片，推動葉片使渦輪轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。渦輪常分為兩級，第一級渦輪（高壓渦輪）上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動與之聯(lián)動的壓氣機，第二級渦輪（動力渦輪）上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過傳動軸和減速箱輸出，這就是燃氣輪機艙的部分空間容積在小噸位船上布置起來有些不便。4.燃氣輪機的構(gòu)造較復雜精細，制造材料和工藝要求都很高，因而它的造價較柴油機高，維修配件也比較貴。5.為滿足燃氣輪機高速、高

5、溫工作所需，對使用的潤滑油有較嚴格的要求，必須具有良好的潤滑性及抗高溫的熱穩(wěn)定性。燃料則用熱值高，含雜質(zhì)、水分少，尤其是含硫分低的優(yōu)質(zhì)輕柴油，因而在一定程度上限制了使用范圍并增加了營運成本。4燃氣輪機應用于船舶的狀況燃氣輪機應用于船舶的狀況1.軍事方面：英國于1967年率先提出實行水面戰(zhàn)艦全燃汽輪機推進的動力政策。1969年以后，高性能船舶燃氣輪機LM2500研制成功，美國海軍動力裝置迅速走上了全燃推進的道路，并在裝艦數(shù)量上遠遠超過了英

6、國。原蘇聯(lián)一直是船舶燃氣輪機的最大使用國，其海軍裝用燃機的艦艇數(shù)、燃機臺數(shù)和裝機總功率均占世界第一位。80年代初，日本海軍步英國、美國和原蘇聯(lián)后塵也走上了全燃推進的道路。最近十多年，其燃機裝艦的速度和規(guī)模均超過了英國。目前的護衛(wèi)艦，尤其是裝備現(xiàn)代武器的大型護衛(wèi)艦，采用燃機(含柴燃聯(lián)合裝置)推進日益增多；在驅(qū)逐艦和巡洋艦中，燃汽輪機將取代蒸汽機，成為兩艦種的動力裝置；輕型航母也傾向于采用燃機驅(qū)動。我國第一艘裝備燃氣輪動力的“舷號452”氣

7、墊登陸艇于1989年服役，成為我海軍發(fā)展史上的一個重要里程碑。后來又在一些中大型軍艦，如舷號112、113、168、169等驅(qū)逐艦上，裝備了多種不同型號的燃氣輪機動力，為海軍的現(xiàn)代化建設(shè)奠定了牢固基礎(chǔ)。2001年，以沈陽黎明公司為研制總成單位、六〇六所為總設(shè)計單位，聯(lián)合清華大學、中科院、上海交通大學等科研院所和有關(guān)企業(yè)，組成設(shè)計研制項目聯(lián)合體，借鑒國外技術(shù)，引進國外智力，共同研制R0110重型燃氣輪機。這一項目被列為國家“十五”期間“8

8、63”能源領(lǐng)域重大專項。2009年，重型燃氣輪機己進入最后聯(lián)調(diào)及試驗驗證階段。輸出功率預計可達114500kW，可以作為中型常規(guī)航空母艦的主動力。這對于提高我國的綜合國力具有積極推動作用。2.民用船舶：近十年來，燃氣輪機在高速渡船中得到大量應用。具有代表性的是瑞士斯坦納航運公司營運的三艘HSS1500大型高速渡船。大型旅游船和高速集裝箱船采用燃機推進是船用燃機在商船應用領(lǐng)域中的又一個重大突破。在商船推進領(lǐng)域中，船舶燃氣輪機正在向船用柴油

9、機的世襲地位挑戰(zhàn)。5船用燃氣輪機的未來發(fā)展方向船用燃氣輪機的未來發(fā)展方向近20年來，隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展、高性能航空發(fā)動機的改裝以及在燃氣輪機熱力循環(huán)方面的開發(fā)研究，船用燃氣輪機的性能日益先進，技術(shù)日臻完善。船用燃氣輪機技術(shù)發(fā)展方向主要有以下幾個方面。1.提高燃氣輪機參數(shù)，改進部件設(shè)計，提高簡單循環(huán)機組性能，由于艦船對高性能燃氣輪機的需求，近20年來推出了多型大功率高效燃氣輪機組。通過提高初溫和壓比、改進部性能等措施，在簡單循環(huán)下機組

10、效率超過40%，如GE公司的LM6000PC、RR公司的MT30等。在推出新機組的同時，各大公司不斷提高原有機組的性能。2.采用先進的復雜循環(huán)，提高機組性能采用回熱循環(huán)、間冷－回熱循環(huán)等復雜循環(huán)，是提高燃氣輪機性能的另一條途徑。對于低壓比小功率船用燃氣輪機，通過增加回熱器形成回熱循環(huán)來提高效率；對于高壓比三轉(zhuǎn)子大功率船用燃氣輪機，增加中間冷卻器和回熱器形成間冷回熱循環(huán)，可增大功率、提高效率。3.采用燃蒸聯(lián)合循環(huán)，提高裝置的功率和效率在燃